走航式adcp流量測驗的主要誤差來源及其控制方法

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1、走航式ADCP流量測驗主要誤差來源及其控制方法宋政峰（上海市水文總站上海200232）摘要：本文闡述了走航式ADCP流量測驗誤差的主要來源，建立了誤差綜合的公式，并針對ADCP應(yīng)用中主要的技術(shù)環(huán)節(jié)，根據(jù)近幾年國內(nèi)外ADCP應(yīng)用的實踐經(jīng)驗及研究成果，探討了減小走航式ADCP流量測驗的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的措施。1引言雖然采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（AcousticDopplerCurrentProfiler，簡稱ADCP）進(jìn)行流量測驗在美國已有近30年的應(yīng)用[1]，在中國也有近20年的應(yīng)用，但相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式流速儀，ADCP流量測驗仍然是一項較新的技術(shù)。一方面，ADC

2、P儀器本身在不斷地更新發(fā)展，比如在型式上從早期的窄帶ADCP到近十年來的寬帶ADCP、從傳統(tǒng)的四波束換能器到最新的相控陣換能器等；另一方面，人們對ADCP流量測驗的認(rèn)識也隨著經(jīng)驗的積累而不斷提高，例如我國對應(yīng)用ADCP進(jìn)行流量測驗已經(jīng)制定并將修訂的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[2]，美國地質(zhì)調(diào)查局也制定并數(shù)次修改的ADCP測驗指導(dǎo)性技術(shù)文件[3][4][5]。但就廣泛應(yīng)用來說，依然需要通過試驗研究和實踐總結(jié)，對ADCP流量測驗進(jìn)行技術(shù)積累和提高應(yīng)用效果。2走航式ADCP流量測驗誤差的主要來源在測量結(jié)果評價中，觀測值與真值得接近程度被定義為準(zhǔn)確度（水文測驗長期來稱為精度），它包含

3、兩個方面：正確度和精密度，分別對應(yīng)了系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差[6]。根據(jù)被測對象的性質(zhì)，流量測驗精度的評估，采用B類模型進(jìn)行表述[7]，即不是采用定值重復(fù)性分析統(tǒng)計，而是采取成因評估分析。但目前，國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均為未針對ADCP流量測驗建立不確定度的表述公式。無論采用ADCP或者轉(zhuǎn)子式流速儀，流量測驗實際上得到的都是約定真值（近似真值），并且其精度水平因測驗環(huán)境條件和觀測措施的不同而不同。走航式ADCP流量測驗與流速儀法一樣，都屬于流速面積法，單次流量的物理形態(tài)都以“流量模”[8]表達(dá)，兩者的誤差綜合的機(jī)理也相同[9]。根據(jù)流量測驗誤差原理，以及采用部分中央法[10]

4、計算斷面流量，走航式ADCP流量測驗的總不確定度可由下列公式表達(dá)：2.1總隨機(jī)不確定度：（2-1）式中：X’Q——總隨機(jī)不確定度，%；X’m——斷面流速剖面數(shù)目的隨機(jī)不確定度，%；X’e——單元觀測歷時的隨機(jī)不確定度，%；X’p——剖面流速分布的隨機(jī)不確定度，%；X’c——儀器檢定隨機(jī)不確定度，%；X’d——測深隨機(jī)不確定度，%；X’b——航跡測量隨機(jī)不確定度，%；m——斷面的流速剖面的系綜（ensemble）數(shù)；n——垂線上的單元數(shù)；、為岸邊部分流量。因走航式ADCP流量測驗，m較大，公式2-1可簡化為8（2-2）2.2總系統(tǒng)不確定度：（2-3）式中：X”Q—

5、—總系統(tǒng)不確定度，%；X”c——儀器檢定系統(tǒng)不確定度，%；X”d——測深系統(tǒng)不確定度，%；X”b——航跡測量系統(tǒng)不確定度，%。2.3總不確定度：（2-4）式中：XQ——總不確定度，%；X’Q——總隨機(jī)不確定度，%；X”Q——總系統(tǒng)不確定度，%。詳細(xì)分析所有的誤差因子及其綜合過程，是一件非常復(fù)雜的工作，上述公式還可以細(xì)化分解各種誤差組成。其中公式2-1、2-2中X’p就較為復(fù)雜，它包含了“底跟蹤”、“水跟蹤”涉及的所有誤差，而引起誤差的因素有多種，如上下盲區(qū)改正、泥沙影響等。此外，有的因素既可以引起隨機(jī)誤差也可以引起系統(tǒng)誤差，例如環(huán)境磁場干擾。轉(zhuǎn)子式流速儀和ADC

6、P都可以通過水槽檢定，ADCP的流速檢定精度與其型式、頻率等有關(guān)，其檢定的測量不確定度通常為0.25%～1%，而流速儀一般為1.5%～2%，因此ADCP儀器檢定的測量不確定度通常比流速儀要小[11]。從技術(shù)手段與條件上來說，ADCP測深和測寬的誤差與流速儀法相當(dāng)，如果排除可能造成系統(tǒng)誤差的環(huán)境因素和人為因素（如吃水深度、聲速改正等），可以認(rèn)為ADCP流量測驗的儀器檢定、測深、測寬的總不確定度，不大于流速儀。根據(jù)專門的比對試驗[12]，基本上證明了：ADCP流量測驗的精度至少與流速儀精測法是相當(dāng)?shù)?。誤差理論和測驗實踐表明：即使儀器的檢定誤差很小、系統(tǒng)誤差也降低到最

7、小程度，仍然會因其它方面存在較大的隨機(jī)誤差而使得單次測驗的精度較低。走航式ADCP流量測驗的隨機(jī)誤差可以分為三類：（1）與ADCP性能有關(guān)的因素。包括單砰標(biāo)準(zhǔn)差、砰速率以及設(shè)定的單元長度，這主要和儀器產(chǎn)品性能有關(guān)。寬帶ADCP就比窄帶ADCP具有明顯的精度優(yōu)勢；（2）河流水力因素、物理因素。包括斷面流速、水深、河寬、紊流強(qiáng)度、泥沙、水溫、鹽度、穩(wěn)定流條件、磁場影響等，另外還包括河床組成及底沙運動影響，這些實際上也可以看作是ADCP適用條件和使用環(huán)境的問題。通常是水深較深、河面較寬、流速較大但河床穩(wěn)定的河流其流量測驗隨機(jī)誤差較小；（3）測驗作業(yè)因素。主要為ADCP

8、載體（測船或浮體）的橫渡